La superpozycja kwantowa To koncepcja, o której słyszy się coraz częściej. Ta właściwość natury jest wykorzystywana w nasionach komputerów kwantowych, teleportacji kwantowej i Internetu kwantowego. Jest jednak wielu ludzi, którzy nie znają się dobrze na superpozycji kwantowej i brzmi to dla nich po chińsku.
W tym artykule powiemy Ci, czym jest superpozycja kwantowa, jej charakterystyka i znaczenie.
Co to jest superpozycja kwantowa
Superpozycja kwantowa jest podstawową zasadą mechaniki kwantowej wyraża równoczesne istnienie układu fizycznego, takiego jak elektron, we wszystkich jego możliwych stanach teoretycznych. Obserwując, może „zapaść się” tylko w jedną z tych konfiguracji. To „zamrożenie” jest losowe, ale opiera się na prawach prawdopodobieństwa.
Jednym ze sposobów zrozumienia superpozycji kwantowej, przynajmniej w uproszczony sposób, jest założenie, że cząstka może znajdować się w dwóch stanach wzbudzonych w tym samym czasie, ale po zaobserwowaniu ujawnia tylko jeden z nich. Zatem superpozycja jest szeroko stosowana w obliczeniach kwantowych. „Kubit” lub kubit może przyjmować zarówno wartości 0, jak i 1; w przeciwieństwie do bitu, bit musi wynosić 0 lub 1.
Ten stan superpozycji kwantowej jest wynikiem teoretycznej propozycji francuskiego księcia Louisa de Broglie, który w 1924 roku zaproponował, że elektrony nie są cząstkami, ale falami. Oznacza to, że elektrony nie są „kulami” materii podlegającymi klasycznym interakcjom (takim jak zderzenia między kulami bilardowymi), ale falami przemieszczającymi się w przestrzeni. To jest prawdziwe.
Kwantowa superpozycja elektronów
Jeśli wyobrażamy sobie elektrony jako „kule”, suma jednego plus drugiego daje nam fałszywe wyobrażenie o tym, jak zachowuje się materia, ponieważ wyobrażamy sobie je ułożone jak kule. Niektóre są na górze, inne na dole, a jeszcze inne po bokach. Jednak materia nie działa w ten sposób na poziomie kwantowym, tylko na poziomie makroskopowym. To jest nasze.
Od tego czasu zjawisko superpozycji kwantowej jest łatwiejsze do zrozumienia pogląd, że materia zachowuje się jak fale. W przeciwieństwie do materii fale mogą się nakładać. Na poziomie kwantowym materia zachowuje się jak fale i dzieje się coś ciekawego: materia może się „dodawać”.
Ciekawą analogię można zaobserwować w przyrodzie. Poniższy obraz przedstawia zmarszczki pozostawione przez kropelki wody na powierzchni wody. Jest to fala kołowa rozchodząca się wzdłuż powierzchni. Wie o tym każdy, kto kiedykolwiek wrzucił kamień do jeziora. W zasadzie każda fala jest niezależna.
Jednakże superpozycja fal ma miejsce zawsze, gdy dwie fale się pokrywają. Oznacza to, że dodaj lub odejmij ich wielkości. Kiedy oba grzbiety się spotykają, poziom wody podnosi się bardzo wysoko. Tam, gdzie są dwie doliny, widzimy zagłębienia. Jeśli szczyty pokrywają się z dolinami, suma fal spowoduje anulowanie.
Fale i superpozycja kwantowa
Jeśli elektrony są falami poruszającymi się w przestrzeni, ich fale mogą działać podobnie do tego, co pojawia się w wodzie. Zjawisko jest znacznie bardziej skomplikowane, ale poniżej znajdziesz sposób na jego uproszczenie. Ale pytanie, które niepokoi wielu, brzmi: gdzie są elektrony?
Zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, superpozycja kwantowa może nastąpić do czasu zaobserwowania cząstek. Następnie funkcja falowa (ta, która opisuje prawdopodobieństwo, że cząstka ma taki czy inny stan, czyli tak reprezentujemy układy cząstek) zapada się lub jest definiowana jako bardziej specyficzna funkcja falowa.
Chociaż nie jest to całkowicie poprawne, można zastosować następującą analogię. Balon wypełniony helem unosi się w ciemnym pokoju. Pierwszy, nie da się dokładnie określić, gdzie znajduje się balon, ponieważ istnieją bardzo skomplikowane przepływy powietrza, które przemieszczają balon z jednej strony na drugą. Można określić prawdopodobieństwo, że balon znajdzie się w tym czy innym miejscu. To jest jego funkcja falowa.
Skąd wiesz, gdzie to jest teraz? Jak sprawić, by funkcja falowa „zapadła się”? Eksperyment, który można przeprowadzić, polega na rzucaniu rzutkami. Jeśli strzałka trafi tam, gdzie nie ma balonu, nie usłyszymy żadnego dźwięku. Jeśli jednak strzałka przejdzie przez balon, usłyszymy eksplozję. Z tego wniosek: balon określi swoją pozycję niezależnie od tego, czy strzałka w niego trafi, czy nie. Oznacza to, że „zapadnie się” w sensie fizycznym i ujawni, gdzie się znajduje.
Chociaż nie jest to doskonała analogia, przykład balonu pomaga zrozumieć, w jaki sposób elektrony mogą być rozmieszczone w określonym obszarze przestrzeni w tym samym czasie i jak tylko patrząc na niego, można stwierdzić, co to jest.
Użyteczność dzisiaj
Jeśli ta właściwość jest tak interesująca, to dlatego, że można ją wykorzystać do budowy komputerów kwantowych. W 2016 roku zespół badaczy wykorzystał kwantowe właściwości materii, w tym stany superpozycji, do umożliwienia przesyłania informacji na duże odległości.
S 2017, inny zespół z powodzeniem teleportował stan kwantowy między dwoma połączonymi węzłami. W 2022 roku grupie badaczy udało się teleportować stan kwantowy pomiędzy dwoma rozłączonymi węzłami dzięki temu, że węzły Alicji, Boba i Charliego zostały połączone jeden po drugim. Dzięki tym eksperymentom możliwe jest zbudowanie bardziej niezawodnego Internetu
Obecnie naukowcy szukają sposobów wykorzystania tej właściwości do rozwiązywania problemów, które byłyby bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do rozwiązania za pomocą klasycznych komputerów. W komputerze kwantowym klasyczne bity (0 lub 1) są zastępowane kubitami, które: mogą nakładać się na siebie, co oznacza, że mogą reprezentować jednocześnie 0 i 1. Dzięki temu komputer kwantowy może badać wiele rozwiązań jednocześnie, co daje ogromny potencjał rozwiązywania złożonych problemów w takich obszarach, jak kryptografia, symulacja materiałów i optymalizacja.
Kolejnym intrygującym zastosowaniem jest bezpieczna komunikacja kwantowa. Dzięki właściwości superpozycji kwantowej każda próba ingerencji w przesyłaną informację jest natychmiast wykrywana, co może prowadzić do powstania praktycznie nieprzeniknionych systemów komunikacyjnych i zapewnić prywatność informacji.
Mam nadzieję, że dzięki tym informacjom dowiecie się więcej o superpozycji kwantowej, jej charakterystyce i użyteczności.